DC/DC轉(zhuǎn)換器電路中MOSFET的選擇指南(上)

本系列文章以轉(zhuǎn)換器 IC 評(píng)估板的參考電路為主題，說(shuō)明選擇各種分立元件時(shí)的重要特性。在講解過(guò)程中，通過(guò)使用 LTspice 改變元器件或元器件本身的常數(shù)，并使用仿真波形和計(jì)算值檢查電路的變化，解釋特性與電路之間的關(guān)系。

《如何在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路中選擇 MOS-FET》分為上、下兩篇，主要講解如何選擇 DC/DC 轉(zhuǎn)換器電路所需的 MOS-FET，同時(shí)通過(guò)仿真檢查 MOS-FET 特性的影響。本文為上篇，主要為大家介紹 MOS-FET 的類型、N 溝道增強(qiáng)型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。

MOS-FET 的類型

MOS-FET 是金屬氧化物半導(dǎo)體 (Metal Oxide Semiconductor) 和場(chǎng)效應(yīng)管 (Field Effect Transistor) 的英文縮寫，它也可以用作模擬元件，如模擬放大器，也可用作開關(guān)電源電路中的開關(guān)元件。如下圖 (圖1) 所示，MOS-FET 有兩種類型：N 溝道 MOS-FET 和 P 溝道 MOS-FET。

圖1 MOS-FET 的類型

當(dāng)相對(duì)于源極向柵極施加正電壓時(shí)，N 溝道 MOS-FET 導(dǎo)通；當(dāng)相對(duì)于源極向柵極施加負(fù)電壓時(shí)，P 溝道 MOS-FET 導(dǎo)通。電源電路中都使用 N 溝道 MOS-FET 和 P 溝道 MOS-FET，但一般來(lái)說(shuō)，N 溝道 MOS-FET 通常比 P 溝道 MOS-FET 更常用，因?yàn)樗鼈兊膶?dǎo)通電阻更低，類型也更多。

此外，它們還分為增強(qiáng)型 (常關(guān)) 和耗盡型 (常開)。在增強(qiáng)型中，施加?xùn)艠O電壓時(shí)會(huì)流過(guò)電流，而在耗盡型中，即使柵極處于負(fù)電壓，也會(huì)在一定程度上流過(guò)電流。下面將介紹 N 溝道增強(qiáng)型 MOS-FET。

N 溝道增強(qiáng)型MOS-FET

MOS-FET 在電源電路中的作用

下圖 (圖2) 為二極管的作用及其對(duì)轉(zhuǎn)換器 IC 的影響示意圖。在異步降壓整流轉(zhuǎn)換器中，二極管執(zhí)行整流操作，在高側(cè)開關(guān)關(guān)閉時(shí)向輸出側(cè)提供電流。換句話說(shuō)，二極管用作低壓側(cè)開關(guān)。但二極管的正向電壓 (VF) 會(huì)產(chǎn)生損耗，從而影響電源電路的效率。當(dāng)二極管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，開關(guān)過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生損耗。關(guān)斷后，電流會(huì)反向流動(dòng)一定量。電流越大，損耗越大。

圖2 二極管的作用及其對(duì)轉(zhuǎn)換器 IC 的影響

通過(guò)使用低導(dǎo)通電阻功率 MOS-FET 代替二極管，同時(shí)使用低導(dǎo)通電阻 MOS-FET 作為高壓側(cè)開關(guān)，使兩個(gè)功率 MOS-FET 同步，以便它們交替導(dǎo)通和關(guān)斷，可實(shí)現(xiàn)低損耗轉(zhuǎn)換器。

在下圖 (圖3) 中，當(dāng) Q1 的 MOS-FET 導(dǎo)通時(shí)，Q2 的 MOS-FET 關(guān)斷。當(dāng) Q1 關(guān)斷時(shí)，Q2 導(dǎo)通，電流在 Q1 和 Q2 之間交替提供。如果 Q1 和 Q2 同步工作，它們不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，則可以實(shí)現(xiàn)低損耗電流開關(guān)電路。

圖3 Q1、Q2 MOS-FET 工作狀態(tài)

MOS-FET 的重要特性

當(dāng)使用 MOS-FET 作為開關(guān)元件時(shí)，在選擇元件時(shí)應(yīng)充分考慮 MOS-FET 的特性。以下為 MOS-FET 的重要特性：

MOS-FET 可實(shí)現(xiàn)低損耗電流開關(guān)

選擇 MOS-FET 時(shí)的重要特性，如下圖 (圖4) 所示：

圖4 選擇 MOS-FET 時(shí)的重要特性

電壓、電流額定值

功率 MOS-FET 的最大允許值 (例如可流經(jīng)功率 MOS-FET 的電流、可施加的電壓和功率損耗) 被指定為最大額定值。如果在設(shè)計(jì)電路時(shí)不考慮最大額定值，功率 MOS-FET 將無(wú)法有效工作，反而會(huì)損壞它，縮短其使用壽命，甚至在最壞的情況下毀壞它，因此遵守最大額定值對(duì)確保電路在指定的目標(biāo)工作時(shí)間內(nèi)可靠運(yùn)行非常重要。

規(guī)定為額定值的主要項(xiàng)目包括“漏極電流”、“端子電壓”、“功率損耗”、“結(jié)溫”和“儲(chǔ)存溫度”，但在選擇功率 MOS-FET 時(shí)要特別考慮確保以下各項(xiàng)特性不超過(guò)額定值。另外，由于這些特征彼此密切相關(guān)，因此應(yīng)將它們視為一個(gè)整體，而不是作為單個(gè)特征。

漏源電壓：VDSS

漏源電壓為在柵極和源極之間的短路情況下，可以在漏極之間施加的最大電壓。如果施加的電壓高于額定值，MOS-FET 可能會(huì)進(jìn)入擊穿區(qū)域并損壞 MOS-FET，從而可能影響其可靠性。在最壞的情況下，MOS-FET 會(huì)損壞。

漏極電流：ID

漏極電流為可以在漏極和源極之間連續(xù)流動(dòng)的最大直流電流值。ID 受漏極和源極之間導(dǎo)通電阻造成的功率損耗限制，因此它也受到散熱條件的影響，必須在結(jié)溫不超過(guò)額定值的電流值以下使用。除了損耗限制外，它們還受到封裝載流能力、最大結(jié)溫和安全工作區(qū)的限制。

柵極-源極電壓：VGS

柵極-源極電壓為可在柵極和源極之間施加的最大電壓。該額定值取決于柵極氧化膜的擊穿電壓，它是根據(jù)實(shí)際電壓和可靠性確定的。

功耗：PD

功耗為允許的最大功率損耗。在理想的開關(guān)操作過(guò)程中，MOS-FET 關(guān)斷時(shí)沒(méi)有電流流過(guò)，導(dǎo)通時(shí)不施加電壓，因此理論上沒(méi)有功率損耗 (電壓×電流)。然而在實(shí)踐中，導(dǎo)通期間漏極和源極之間存在導(dǎo)通電阻，從而導(dǎo)致?lián)p耗。即使導(dǎo)通電阻低至幾十 mΩ 或更低，當(dāng)大電流流過(guò)時(shí)也不能忽視。如果柵極電壓沒(méi)有充分高于閾值電壓，則半導(dǎo)通電阻將增加。在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間，電流和電壓處于中間狀態(tài)也可能會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗。

在這些特性中，電壓和電流特性被定義為安全工作區(qū) (SOA)，有時(shí)被稱為安全操作區(qū)域 (ASO)。大多數(shù) MOS-FET 數(shù)據(jù)表都列出了 SOA，如下圖 (圖5) 所示。在此圖中，淺藍(lán)色標(biāo)記的區(qū)域是 SOA，即 MOS-FET 可以安全運(yùn)行的區(qū)域。SOA 的橫軸是 MOS-FET 的漏源電壓 (VDS)，縱軸是漏極電流 ID，橫軸和縱軸都是對(duì)數(shù)軸。

圖5 MOS-FET 的安全工作區(qū)

要點(diǎn)

在要使用的電路上，選擇不超過(guò)以下每個(gè)額定值：

漏源電壓：VDSS

漏極電流：ID

柵極-源極電壓：VGS

功耗：PD

電壓和電流特性定義為安全工作區(qū) (SOA)，并在該范圍內(nèi)使用。

總結(jié)

本文主要介紹 MOS-FET 的類型、N 溝道增強(qiáng)型 MOS-FET，以及 MOS-FET 的重要特性。